天然气凝析液管道射流清管模拟.pdf

2 0 1 5 正 第2 期 管 道拔木 P i p e l i n eT e c h n i q u e 设 各 E q u i p m e n t 2 0 1 5 N o ．2 天然气凝析液管道射流清管模拟 王立满1 ，何利民1 ，王玉柱1 ，张海龙1 ，刘元威2 1 ．中国石油大学储运与建筑工程学院，山东青岛2 6 6 5 8 0 ；2 ．中国石油大港油田原油运销公司，天津3 0 0 2 8 0 摘要射流清管器能够降低自身速度，控制下游气液流型。为研究射流清管过程，利用O L G A 对不 同旁通率清管器进行数值模拟，得到清管器运行速度、管线压力、液塞流量变化规律。结果表明射流 清管器旁通孔泄压，使其前后压差降低，降低清管器速度；旁通气流对上游液塞具有充气分散作用，可 降低清管器运行阻力，减小速度与压力波动；旁通气流对积液的剪切携带作用，使部分积液提前流出管 道，减小管道出口的持液率，使液塞缓慢、均匀地流出，能够有效减小终端液塞捕集器的体积。 关键词凝析液；射流清管器；旁通率；速度；压力波动；持液率 中图分类号T E 8 3 2文献标识码A文章编号1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 5 0 2 0 0 6 0 0 4 S i m u l a t i o no fB y - p a s sP i g g i n gi nt h eN G LP i p e l i n e W A N GL i m a n l ，H EL i m i n l ，W A N GY u z h u l ，Z H A N GH a i ．1 0 n 9 1 ，L I UY u a n ．w e l ’2 1 ．C o l l e g eo fP i p e l i n ea n dC i v i lE n n ∞f i n gi nC h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m ，Q i n g d a o2 6 6 5 8 0 ，C h i n a ； 2 ．C r u d eO i lT r a n s p o r t a t i o nC o m p a n yo fP e t r o C h i n aD a g a n gO i l f i e l d ，T i a n j i n3 0 0 2 8 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h eb y p a s sp i gw a sp r o p i t i o u st or e d u c ei t sv e l o c i t ya n dc o n t r o lt h ef l o wp a t t e r n ．T h eb y p a s s p i g g i n gi nt h en a t u r a lg a sl i q u i d N G L p i p e l i n ew a ss i m u l a t e du s i n gt h e0 L G As o f t w a r e ，a n dt h ev a r i a t i o no fv e l o c i t y ，p r e s s u r e ，s l u gw i t ht h e d i f f e r e n tb y p a s sr a t i o sw e r eo b t a i n e d ．T h er e s u l ts h o w st h a td u et ot h ep r e s s u r er e l i e fo ft h eb y p a s s ，t h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep i g sd e c r e a s e s ，a n dt h ev e l o c i t yo ft h ep i gr e d u c e s ．T h eb y p a s ss t r e a mcand i s p e r s el i q u i ds l u gt or e d u c et h er e s i s t a n c e o ft h ep i g ．T h ef l u c t u a t i o n so fp r e s s u r ea n dv e l o c i t ya r ed e c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e m e n to ft h eb y p a s sr a t i o ，D u et ot h es h e a r i n ga c t i o no fb y p a s ss t r e a m ，ap o r t i o no fl i q u i df l o w so u to fp i p e l i n ei na d v a n c e ，a n dt h el i q u i dh o l d u po fp i p e l i n eo u t l e td i m i n i s h e s ． S i n c et h el i q u i ds l u gf l o w e so u ts l o w l ya n de v e n l y ，t h ev o l u m eo fs l u gc a t c h e rt e r m i n a li sr e d u c e de f f e c t i v e l y ． K e yw o r d s c o n d e n s a t e ；b y p a s sp i g ；b y p a s sr a t i o ；v e l o c i t y ；p r e s s u r ef l u c t u a t i o n ；h o l d u p 0 引言 气田开采中后期产气率下降，气藏压力下降，生 产的流体中包含液体逐渐增多‘1o ，气液产生滑脱现 象心] ，易造成液体大量积聚，管道流通面积减小，输气 效率降低。通常采用定期清管。3 。o 方法解决该问题。 传统清管器通过皮碗或球体密封进行清管，这会产生 一系列问题清管器速度过快，与管内壁强烈摩擦而 破坏涂层；清管器前端积聚大量液体，对管道造成强 烈的冲击；清管器到达终端时，大量液体造成终端段 塞捕集器过载。射流清管器可为气体提供旁通通道， 有效解决上述问题，其核心在于旁通率的优选。 射流清管器已应用于原油管道的清管中，并取得 良好的清管效果“ 拍] 。国内外关于天然气凝析液管道 基金项目国家科技重大专项子课题 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 ；中央高校基本科 研业务费专项资金资助 1 2 C X 0 6 0 7 3 A 收稿日期2 0 1 4 一0 7 2 9 收修改稿日期2 0 1 4 1 0 1 3 射流清管器的研究以理论研究为主。H o s s e i n a l i p o u rS M ．等[ 7 。”3 对气体管道射流清管器做了大量研究工作。 1 模拟条件 南海某海底天然气管道地形起伏状况见图1 。 ，O 4 羹一u 0 6 长一0 ．8 一1 ．O l2 14 1 02 03 04 05 06 07 08 0 水平距离／k i n 图1 海底管线起伏状况 该海底管线总长8 1 ．5k m ，壁厚1 ” 1 ” 2 ．5 4 a m ，管内径0 ．5 0 8m ，入口气相流量为3 ．6 2 x 1 0 9m 3 。 万方数据 第2 期王立满等天然气凝析液管道射流清管模拟 6 l 2 模拟结果及分析 根据海底管线运行参数，通过O L G A 软件建立清 管模型。文中分别从清管器速度、压力波动、液塞流 量变化等方面进行具体分析。 2 ．1 清管器速度变化 图2 为射流清管器速度随运行时间的变化曲线。 随清管器旁通率的增加，射流清管器运行时间增长、 速度降低；旁通率越大、旁通流量越高，速度降低的效 果越明显。这是由于射流清管器能够为气流提供旁 通通道，起到了一定泄压作用，前后压差降低、清管器 动力减小，速度得到降低；旁通率越大，泄压效果越显 著，清管器速度越慢。 { f ， 图2 清管器速度随时间的变化曲线 图2 中曲线末端峰值为清管器通过立管时速度 值，速度波动极大，但随旁通率的增加速度变化呈降 低趋势。清管器运行至立管底部时，管线中大量积液 被推送至立管处，此时立管底部几乎聚集了整个管线 的凝析液，大量积液形成的液柱静压差、清管器自身 重力以及清管器摩阻三大作用力，对立管底部清管器 的运行造成极大的阻力，导致清管器运行速度降低， 在清管器上游逐渐积聚压力；当液柱开始通过立管顶 部后，静液柱压差降低、清管器阻力减小，清管器加速 运行，更多的积液流出，阻力进一步减小，清管器加速 效果更加显著，最终清管器以极高的速度通过立管出 口。而射流清管器能有效降低这种效果，射流清管器 能通过旁通气流的剪切携带作用将部分积液带离立 管管段；旁通孔射出的高速气流能对清管器下游液塞 充气，在高速气流的吹动下，液塞分布于更长管段上， 在立管处对液塞有向上的提升作用，减小清管器运行 阻力，最终降低清管器速度波动。 根据E s m a e i l z a d e hF 。1 47 等的研究结果，清管器在 管线中运行的最优速度范围为2 ～7m ／s 。因此，旁通 率范围为6 ％～1 0 ％时比较符合相关规范要求。 2 ．2 管线特殊点压力变化 如图1 所示，在海底管道分别取P ．～P 。、P ‰，和 P , o p 6 个检测位置，P ，～P 。点处压力随清管器运行位置 变化关系如图3 所示。 i j i‘0 蘸7 ．2 ◆一 5 ．0 1 划享畿一- - t - - - 1 蹦1 ％ 5 ．8L _ L L 兰∑0 L L L u 蚓嚣省 么、 鏊 十0 2 9 6 4 ％ q 一6 ％ O 一8 9 6 日一l O ％ 仁一1 1 ％ o 1 2 ％ 4 ”I 广可广扩靠广面蔚1 汀1 矿1 0 距离／k n l d P 。处压力随清管器位置变化 图3P 。一P 4 处压力随清管器位置变化 形pp氐扩协学 ㈠惜 0 5 0 5 7 6 6 5 7 7 _ ， 7 已W ／[ 幽 万方数据 6 2 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t M a r ．2 0 1 5 图3 a ～图3 d 分别表示该海底管线P 。一P 。位 置处压力随清管器运行位置的变化关系。 当射流清管器运行经过压力检测位置时，压力波 动随清管器旁通率增加呈明显降低趋势。图4 为 P ‰。、P t o p , 点压力随清管时间变化。 b P t o o 点压力随时1 “ 2 变化 图4P 。。、P 。点压力随清管时间的变化 清管过程中，清管器速度一般高于液相速度，液 塞逐渐积累。对于普通清管器，液塞大量积聚于清管 器上游，清管器运行所需压差增加，如图5 a 所示。 射流清管器运行速度较低，液塞速度及积聚量相对较 小；同时旁通气流使前端液塞充气分散，实现流型控 制，如图5 b 所示。旁通率越大旁通气流量也越大， 清管器速度越低、积聚液塞充气程度越大，液塞对清 管器阻滞作用越低，最终形成清管压差波动随清管器 旁通率增加而降低的规律。 图4 中所示压力波动较大时刻均为相应清管器运 行经过立管时刻。当清管器运行至立管时，随旁通率增 加压力变化幅度明显减小。此时，在立管底部集中了整 个管线的积液，静液柱压差较高，清管器减速运行以积 聚背压。当背压升高至一定值时，清管器开始运动。对 于立管底部P 嘛。，在清管器靠近过程中，压力逐渐降低， 一旦清管器经过此位置后压力急剧上升，当清管器通过 立管后，压力骤然下降，趋势如图4 a 所示。而位于立 管顶部的P 。，，由于该管线出口处压力恒定，所以在清 管器未到时，压力基本保持恒定，清管器经过此处后压 力急剧增加，而清管器进入收球简后压力再迅速下降， 中间间隔十分短暂，如图4 b 所示。 【， 射流清管器j 青管 图5 普通清管器与射流清管器对气液流型控制的控制作用 通过对图3 、图4 曲线对比分析，发现P 。～P 。位置 处压力波动规律性较好，随旁通率增加压力波动降 低，但立管底部P 。。。当旁通率为1 1 ％、1 2 ％时压力波 动反而高于旁通率为1 0 ％时，另外，立管顶部P l o p 压力 波动规律性并不是很强，旁通率6 ％之前压力波动很 大、8 ％之后波动较平稳。 2 ．3 液塞流量变化 射流清管器应用于海底天然气凝析液管道的重要 目的是控制前端液塞流型，降低终端液塞流量，防止捕 集器过载，这对空间有限的海上平台具有巨大价值。 图6 为管道终端液塞流量随时间变化关系。射流 清管器能够明显降低管道终端出口处液塞流量、延长 流出时间，并且随着旁通率的增加，流量明显降低，有 效地优化了清管过程。 2 ．O l _ 8 1 ．6 一l4 j1 ．2 邑10 ●0 ．8 壤O ．6 O ．4 O2 O 时间n 1 图6出口处液塞流量随时间变化 管道终端液塞最大流量在旁通率为0 ～1 0 ％范围 内时，随旁通率的增加而减小；而旁通率为1 1 ％、1 2 ％ 时，极值流量反而超过了旁通率为1 0 ％的值，这与之 万方数据 第2 期王立满等天然气凝析液管道射流清管模拟 6 3 前理论分析矛盾为排除模拟偶然性，计算旁通率为 1 3 ％、1 4 ％的清管模拟值，极值流量也超过了旁通率为 1 0 ％时的流量值 清管器旁通率在0 ～1 0 ％范围内时，旁通气流量较 小，此时气流对液塞主要起剪切携带作用；而旁通率 超过1 0 ％时，旁通气流增加，气流流速升高，液相速度 远小于气相速度，前端液塞阻碍气体前进，气相使前 端液塞加速，而液塞前端液膜速度较小，这样液塞将 前面液膜内的液体卷吸到液塞中，液塞长度增加。根 据动量定理，液塞速度降低，此时液塞尾部部分液体 脱落到液塞后面的液膜中，于是液塞在运动过程中一 边卷吸前面液膜内速度较慢的液体，一边在尾部向后 面液膜脱落液体，这样液塞的长度就会有一个动态平 衡。15 I ，最终发生液塞聚并，产生较长液塞，因此，当旁 通率超过1 0 ％时，终端液塞流量不降反升，并导致立 管基部P ‰。压力波动规律异常 2 ．4 最优旁通率的确定 通过对清管器运行速度、管线压力波动、终端液 塞流量等分析得出 1 清管器运行速度最优旁通率6 ％～1 0 ％； 2 管线压力波动最优旁通率8 ％～1 2 ％； 3 液塞流量降低效果最优旁通率6 ％～1 0 ％。 最终确定该管线最优旁通率范围为8 ％～1 0 ％，可 根据现场实际状况合理选择 3 结论 1 射流清管器的旁通孔可起到一定泄压作用， 使清管器的前后压差降低，从而减小清管器运行速 度，并且随旁通率增加，速度变化呈降低趋势。 2 管路起伏造成大量液体积聚，形成液柱静压 差，增加了清管器运行阻力，因此清管器速度及管线 压力都存在明显波动，而射流清管器通过旁通气流对 上游液塞的充气分散作用，降低运行阻力，使速度与 压力的波动随旁通率的增加呈减小趋势。 3 射流清管器旁通气流对积液的剪切携带作 用，使部分积液提前流出管道；并且旁通率可使清管 器通过立管时速度降低，从而减小管道出口持液率， 使液塞缓慢、均匀地流出，能够有效减少终端液塞捕 集器体积。 参考文献 [ 1 ] M A N D K EJS ，S H E NH ，R O S C O EJ ．S i n g l e t r i pp i g g i n go f g a sl i n e sd u r i n gl a t ef i e l dl i f e ．O T C 1418 4 ，O f f s h o r eT e c h n o l o g yC o n f e r e n c e ，H o u s t o n ，2 0 0 2 ． [ 2 ] 张金盛清管器清洗技术及6 Z 用．北京石油工业出版社，2 0 0 5 ． [ 3 ] M I N A M IK ．P i g g i n gd y n a m i c si n t w o p h a s ef l o wp i p e l i n e s e x p e r i m e n ta n dm o d e l i n g ．S P Ep r o d u c t i o nf a ．i l i t y ．19 9 5 ．1 0 4 2 2 5 2 3 1 ． [ 4 ] K L E M PS ，M E L A N DB ，H U S T ＼7 E D TE ，e ta 1 ．O p e r a t i o n a l e x p e r i e n c e sf r o mm u h i p h a s et r a n s f m 。a tT r o l l ．M u l t i p h a s e ’9 7 f r o n t i e rt e c h n o l o g yc o m e so fa g e ．C a n n e s B H RG r o u pL i m i t e d ，1 9 9 7 4 7 7 - 4 9 6 ． [ 5 ]冯书俭，庞广明，张金成．自动解堵型圆盘清管器的研制 与应用．石油工程建设，2 0 0 0 5 4 2 - 4 3 ． [ 6 ]余国核．陈欣，赵崇卫，等．清管器研究进展与应用分析． 中国造船，2 0 0 8 ．4 9 2 5 3 7 5 4 0 ． [ 7 ] N G U Y E NTT ，Y O OHR ，R H OYW ，e ta 1 ．S p e e dc o n t r o lo f P I Gu s i n gI y p a s s1 1 { Ⅵi nn a t u r a lg a sp i p e l i n e ．I n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s ，2 0 0 1 ．P r o c e e d i n g s ．I S l E2 0 0 1 ．I E E EI n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u mo n ．I E E E ，2 0 0 1 ，2 8 6 3 8 6 8 ． [ 8 ] N G U Y E NTT ，Y O OH R ，R H OYw ，e ta 1 ．M o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rP I Gw i t hb y p a s sf l o wc o n t r o li nn a t u r a Jg a sp i p e l i n e ． K S M EI n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l ，2 0 0 1 ，1 5 9 1 3 0 2 - 1 3 1 0 ． [ 9 ] A Z E V E D OL FA ，B R A G AAMB ，N I E C K E L EA O ．e ta 1 ． S i m p l eh y d r o d y n a m i c m o d e l sf o r t h e p r e d i c t i o n o f p i g m o t i o n si np i p e l i n e s ．S P E8 2 3 2 一M S ，l9 9 6 7 2 9 7 3 9 ． [ 1 0 ] N I E C K E L EAO ，B R A G AAMB ，A Z E V E D OL FA ．T r a n s i e n tp i gm o t i o n t h r o u g h n o n i s o t h e r m a lg a sa n d l i q u i d p i p e l i n e s ．A S M EJ o u r n a lo fE n e r g yR e s o u r c e sT e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 ．1 2 3 4 6 l l 一6 1 8 ． 11 1 ] T O L M A S Q U I MST ，N I E C K E L EAO ．D e s i g na n dc o n t r o lo f p i go p e r a t i o n st h r o u g hp i p e l i n e s ．J o u r n a lo fP e t r o l e u mS c i e n e ea n t i E n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，6 2 3 4 1 0 2 一1 1 0 ． [ 1 2 ] E S M A E I L Z A D E HF ，M O W L A A N DD ，A S E M A N IM ．M a t h ． e m a t i c a lm o d e l i n ga n ds i n m l a t i o no f p i g g i n go p e r a t i o ni n g a sa n dl i q u i dp i p e l i n e s ．J o u r n a lo fP e t r o l e u mS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ，2 0 0 9 ，6 9 1 _ 2 1 0 0 一1 0 6 ． [ 1 3 ] H O S S E I N A L I P O U RSM ，K H A L l l 。IAZ ，S A L I M IA ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp i gm o t i o nt h r o u g hg a sp i p e l i n e ．1 6 t h A u s t r a l a s i a nF l u i dM e ’h a n i c sC o n f e r e n c e ．G o l d C o a s t ， 2 0 0 7 9 7 1 9 7 5 ． [ 1 4 ] E S M A E I L Z A D E HF ，A S E M A N IM ．M O W I 。AD ．M o d e l i n g o fp i go p e r a t i o n si nn a t u r a lg a sa n dl i q u i dp i p e l i n e ．S P E A n n u a lT e c h n i c a lC o n f e r e n c ’Pa n dE x h i b i t i o n ．S o c i e t yo fP e t r o l e u mE n g i n e e r s ，2 0 0 6 ． [ 1 5 ]罗小明．气液两相和油气水三相段塞流流动特性研究 [ 学位论文] ．东营中国石油大学，2 0 0 7 ． 作者简介王立满 1 9 8 7 一 ，在渎博士研究生，主要从事多相管 流及油气F H 集输技术方面的研究 E m a i l w a n g l i m a n u p c 1 6 3 ．c o i n 万方数据